DE859697C

DE859697C - Method for regulating gas turbine systems

Info

Publication number: DE859697C
Application number: DEM9455A
Authority: DE
Inventors: Anton Ledergerber
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon Buhrle AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1950-06-01
Filing date: 1951-05-10
Publication date: 1952-12-22

Description

Verfahren zur Regelung von Gasturbinenanlagen Gasturbinenanlagen können bekanntlich vorteilhaft auf Teillast reguliert werden durch Senkung-der Drehzahl mindestens@der Kompressorgruppe,-falls die Nutzleistüngsturbinendrehzahl konstant gehalten wer"en muß, z. B. wegen Kupplung 'mit einem Drehstromgenerator.Method for regulating gas turbine systems Gas turbine systems can is known to be advantageously regulated to partial load by lowering the speed at least @ of the compressor group, -if the power turbine speed is constant if you have to, e.g. because of coupling with a three-phase generator.

Um Leistungsgleichgewicht innerhalb der Kompressorgruppe zu erhalten, muß bei - tieferen Drehzahlen wegen der Abweichung der Wirkungsgrade bei den Maschinen von den optimalen Werten ihres Nennpunktes entweder eine höhere Temperatur vor der Turbine eingehalten werden, oder es -muß bei Serieschaltung der Maschinen das gegenseitige--Verhältnis der Druckgefälle von Turbine und Kompressor zugunsten der Turbine verändert werden, indem ein Teil der Durchsatzmenge durch ein By-Paß-Ventil geführt wird; das in einer Umgehungsleitung zurNutzleistungsturbine liegt. Für jede gegebene Öffnung des By-Paß-Ventiis - besteht ein - - bestimmter Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Kompressorgruppe und der Temperatur vor der Kompressorturbine, um .die Gruppe im Gleichgewicht -zu halten. Vergleiche in der Zeichnung die Fig. r, deren Abszissen cie Drehzahl zz@; der Kompressorgruppe und deren Ordinaten die Gleichgewichtstemperatur tTG darstellen. Die Kurven o, z/3-, 2/3 und 3/3 entsprechen dem Durchlaß des By-Paß-Ventils.In order to maintain a balance of power within the compressor group, must at - lower speeds because of the deviation in the efficiency of the machines from the optimal values of their nominal point either a higher temperature before the Turbine are respected, or it must - with series connection of the machines the mutual - relationship the pressure gradient of the turbine and compressor are changed in favor of the turbine, by passing part of the flow rate through a by-pass valve; that in one Bypass line to the power turbine is located. For any given opening of the by-pass valve - there is - - a certain relationship between the speed of the compressor group and the temperature in front of the compressor turbine in order to .the group in equilibrium keep. Compare in the drawing the Fig. R, the abscissa cie speed zz @; of the compressor group and their ordinates represent the equilibrium temperature tTG. The curves o, z / 3-, 2/3 and 3/3 correspond to the passage of the by-pass valve.

Wird anderseits bei konstanter Einstellung der Regulierorgane für die Brennstoffzufuhr zu den Brennkümmern die Drehzahl -der--Kompressörgruppe -willkürlich verändert unter Anbringung einer Ausgleichsleistung auf der Kompressorgruppenwelle, so wird sich zu jeder Drehzahl eine bestimmte Temperatur vor der Turbine einstellen, z. B. wie durch die Kurve A in Fig. 2 angedeutet. Die Ordinaten stellen hier die effektive Temperatur tTe vor der Gasturbine dar. Erfolgt die Drehzahländerung so rasch, daß die Temperaturen infolge der Wärmeträgheit der Anlageteile nicht nachzufolgen vermögen, so ergibt sich eine Temperatur-Drehzahl-Funktion etwa nach Kurve B in Fig. 2, die wesentlich flacher liegen wird als die Kurve A und auch flacher als die Gleichgewichts-Temperatur-Drehzahl-Funktion nach Fig. i. Diese Tatsache bedeutet, daß bei gleichbleibenderEinstellung der Regulierorgane für eine Störung, z. B. im Sinne einer kleinen Senkung der Drehzahl, eine Minderleistung der Turbine gegenüber dem Kompressor besteht, die erreicht, daß die Gruppe ihre Drehzahl von selbst immer tiefer senkt und nur durch eine äußere Einwirkung aufgehalten werden kann, und somit die Gruppe unstabil ist.On the other hand, if the regulating organs for the fuel supply to the combustion manifolds the speed of the compressor group arbitrary changes with the application of a compensating power on the compressor group shaft, so becomes set a certain temperature in front of the turbine at each speed, z. B. as indicated by curve A in FIG. The ordinates represent the effective ones here Temperature tTe in front of the gas turbine. If the speed change occurs so quickly that the temperatures are not able to keep track of the temperature due to the thermal inertia of the system components, this results in a temperature-speed function roughly according to curve B in FIG will be much flatter than curve A and also flatter than the equilibrium temperature-speed function according to Fig. i. This fact means that with the same setting of the regulating organs for a fault, e.g. B. in the sense of a small reduction in speed, a reduction in performance consists of the turbine opposite the compressor, which achieves that the group their The speed of rotation decreases by itself and is only stopped by an external influence and thus the group is unstable.

Eine Stabilisierung der Gruppe ist z. B. möglich durch die Beeinflussung der Brennstoffzufuhrregulierorgane durch die Drehzahl der Kompressorgruppe, so daß die Temperatur-Drehzalil-Funktion nach Kurve A in Fig. a steiler zu liegen kommt. Da jedoch die Einwirkung der Temperaturträgheit kaum wirksam beeinflußt werden kann, wird es Schwierigkeiten bereiten, um die Funktion gemäß Kurve B in Fig. 2 so zu legen, daß diese in jedem Fall steiler ist als die Gleichgewichts-Temperatur-Drehzahl-Funktion, so daß eine sichere Stabilisierung nicht gewährleistet ist. Selbst wenn eine Stabilisierung gesichert wäre, würde bei einem Reguliervorgang dieDifferenz zwischen der wirklichen Temperatur und der Gleichgewichtstemperatur zu klein sein, um eine genügend rasche Drehzahländerung im Sinne einer Annäherung an die neue Gleichgewichtsdrehzahl zu erhalten. Durch die notwendigen großen Temperaturänderungen während des Reguliervorganges werden sich mit dieser Regulierart weitere Schwierigkeiten ergeben.A stabilization of the group is z. B. possible by influencing the fuel supply regulators by the speed of the compressor group, so that the temperature-Drehzalil function according to curve A in Fig. A comes to be steeper. However, since the effect of temperature inertia can hardly be effectively influenced, it will be difficult to set the function according to curve B in FIG safe stabilization is not guaranteed. Even if stabilization were ensured, the difference between the actual temperature and the equilibrium temperature would be too small during a regulating process to achieve a sufficiently rapid change in speed in the sense of an approximation to the new equilibrium speed. Due to the necessary large temperature changes during the regulation process, further difficulties will arise with this type of regulation.

Vermindert sich die voll der Anlage abgegebene Leistung plötzlich um einen größeren Betrag, so besteht für die Nutzleistungsturbine die Gefahr des Durchbrennens, insbesondere, wenn die Nutzleistungsturbine nicht noch gleichzeitig einen Kompressor an= treibt, so daß jedes bremsende'Moment fehlt, wenn die abgenommene Leistung ausfällt. Selbst eine sofortige Abstellung derBrennstoffzufuhrergibtkeinegenügende Verminderung der der Turbine zugeführten Leistung, so lange die Kompressorgruppe die neue Gleichgewichtsdrehzahl mit der entsprechenden By-Paß-Ventil-Einstellung noch nicht erreicht hat.If the power delivered to the full system suddenly decreases by a larger amount, there is a risk of the power turbine Burnout, especially if the power turbine is not running at the same time a compressor = drives, so that there is no braking moment when the removed Performance fails. Even an immediate shutdown of the fuel supply is not sufficient Reduction of the power supplied to the turbine as long as the compressor group is active the new equilibrium speed with the corresponding bypass valve setting has not yet reached.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der beschriebenen Nachteile bei einer Gasturbinenanlage mit mindestens einer Kompressor-Turbinen-Gruppe und mindestens einer in Serie geschalteten Turbine (Nutzleistungsturbine), deren Leistung mindestens zum Teil als Nutzenergie aus dein Kreislauf weggeführt wird, wobei die Teillastregelung durch Drehzahländerung mindestens einer Kompressorgruppe und teilweiser Umführung der Nutzleistungsturbine erfolgt. Erfindungsgemäß verfährt man so, daß sowohl die Brennstoffzufuhr mindestens einer der Brennkammern des Kreislaufes als auch ein in der Umführungsleitung der Nutzleistungsturbine eingebautes By-Paß-Ventil kontinuierlich gesteuert werden, wobei insbesondere der Regler, der das By-Paß-Ventil steuert, einerseits durch den Leistungsregler der Nutzleistungsturbine und anderseits durch eine von der Drehzahl der mit Drehzahländerung arbeitenden Kompressorgruppe abhängigen Regelkraft beeinflußt wird.The invention aims to avoid the disadvantages described in a gas turbine system with at least one compressor-turbine group and at least one turbine connected in series (power turbine), its output is at least partially removed from your cycle as useful energy, whereby the Partial load control by changing the speed of at least one compressor group and partially The power turbine is bypassed. The procedure according to the invention is such that both the fuel supply to at least one of the combustion chambers of the circuit as also a bypass valve built into the bypass line of the power turbine continuously controlled, in particular the controller that controls the by-pass valve controls, on the one hand by the power regulator of the power turbine and on the other hand by a compressor group working with the speed change dependent control force is influenced.

In den Fig. 5 bis 8 werden schematisch einige Ausführungsbeispiele einer mit dieser Regulierung ausgerüsteten Gasturbinenanlage gezeigt. In Fig.5 bedeutet i einen Niederdruckkompressor, a einen Zwischenkühler, 3 einen - Hochdruckkompressor, q. einen Wärmeaustauscher, 5 eine Hochdruckbrennkammer, 6 eine Hochdruckturbine, 7 eine Niederdruckbrennkammer, 8 eine Niederdruckturbine, g ein Drehstromgenerator, io Anwurfsmotoren, ii eine Olpumpe für das Reguliersystem, 12 einen Leistungsregler, 13 den By-Paß-Regler, 14 das By-Paß-Ventil, 15 einen von der Nutzleistungsturbine angetriebenen Beschleunigungsregler, 16 eine Abblaseklappe, 17 eine Drosselklappe, 18 eine mit der Kompressorgruppe gekuppelte Ölpumpe, ig ein ölgesteuertes Regulierventil für die Brennstoffzufuhr, 2o die Brennstoffzufuhrleitung zur Brennkammer 7, 21 einen Temperaturfühler, 23 ein temperaturgesteuertes Regulierventil für die Brennstoffzufuhr und 27 die Brennstoffzufuhrleitung zu der Brennkammer 5.Some exemplary embodiments are shown schematically in FIGS a gas turbine system equipped with this regulation is shown. In Fig.5 means i a low pressure compressor, a an intercooler, 3 a - high pressure compressor, q. a heat exchanger, 5 a high pressure combustion chamber, 6 a high pressure turbine, 7 a low-pressure combustion chamber, 8 a low-pressure turbine, g a three-phase generator, io starting motors, ii an oil pump for the regulating system, 12 a power regulator, 13 the bypass regulator, 14 the bypass valve, 15 one of the power turbine powered acceleration controller, 16 a blow-off valve, 17 a throttle valve, 18 an oil pump coupled to the compressor group, ig an oil-controlled regulating valve for the fuel supply, 2o the fuel supply line to the combustion chamber 7, 21 a Temperature sensor, 23 a temperature-controlled regulating valve for the fuel supply and 27 the fuel supply line to the combustion chamber 5.

Die Anordnung nach Fig. 5 ist relativ einfach, hat aber den Nachteil, daß der neue Beharrungspunkt der Kompressorgruppe mit n2 und t2 abhängig ist von der Charakteristik und der Einstellung der Regulierorgane 13 und ig. Es ist daher nicht gewährleistet, daß die Kompressorgruppe bei allen Belastungen mit der optimalen Temperatur vor der Turbine betrieben wird. Störungen in der Brennstoffzufuhr können Abweichungen von der Normaltemperatur verursachen und die Anlage in Gefahr bringen.The arrangement according to FIG. 5 is relatively simple, but has the disadvantage that the new point of inertia of the compressor group with n2 and t2 depends on the characteristics and the setting of the regulating elements 13 and ig. It is therefore does not guarantee that the compressor group with all loads with the optimal Temperature is operated in front of the turbine. Disturbances in the fuel supply can Cause deviations from the normal temperature and put the system at risk.

Mit der Anordnung nach Fig. 6 können diese Nachteile behoben werden, indem die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 7 sowohl durch ein vom Leistungsregler 12 abhängiges Regulierorgan ig als auch durch ein Regulierventil 2.4 beeinflußt wird, das über einen Temperaturfühler 22 durch die Temperatur vor der Kompressorturbine gesteuert wird. Um jedoch der nach einer Leistungsänderung durch das Regulierventil i9 verursachten und erwünschten, momentanen Temperaturabweichung nicht sofort entgegenzuwirken, kann eine Einrichtung 28 vorgesehen werden, die eine zeitliche Verzögerung der Steuerimpulse zwischen Temperaturfühler 22 und Regulierventil 24 bewirkt, so daß der Temperaturregler erst dann auf die Brennstoffzufuhr einwirken wird, wenn die neue Kompressordrehzahl angenähert erreicht ist. Die zusätzliche Temperaturregulierung wird also nur so weit eingreifen, um die Beharrungstemperatur vor der Kompressorturbine auf den für Dauerbetrieb zulässigen Höchstwert einzuregeln.With the arrangement according to FIG. 6, these disadvantages can be eliminated by influencing the fuel supply to the combustion chamber 7 both by a regulating element dependent on the power regulator 12 and by a regulating valve 2.4 which is controlled via a temperature sensor 22 by the temperature upstream of the compressor turbine . However, in order not to immediately counteract the instantaneous temperature deviation caused and desired by the regulating valve i9 after a change in output, a device 28 can be provided which causes a time delay of the control pulses between temperature sensor 22 and regulating valve 24 so that the temperature controller only then switches on the fuel supply will act when the new compressor speed is approached. The additional temperature regulation will only intervene to the extent that the steady-state temperature in front of the compressor turbine can be regulated to the maximum permissible for continuous operation.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 wird die Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer 5, die der Nutzleistungsturbine direkt vorgeschaltet ist, sowohl durch den Leistungsregler 12 als auch über das Regulierventil 21 durch die Temperatur vor der Nutzleistungsturbine beeinflußt. In diesem Beispiel wird das Regulierventil ig nicht mehr direkt durch den Leistungsregler i2, sondern sekundär über einen Druckumformer 29 gesteuert. Diese Anordnung kann vorteilhaft sein, wenn z. B. die beiden Regulierorgane 13 und ig wesentlich verschiedene Charakteristiken benötigen oder wenn man z. B. das Regulierventil ig unabhängig und ohne Rückwirkung auf den Regler 13 beeinflussen will. Zwischen dem vor der Temperatur vor Nutzleistungsturbine beeinflußten Temperaturfühler ai und dem Regulierventil 23 soll auch eine Einrichtung 28 vorgesehen werden zur zeitlichen Verzögerung der zwischen den beiden Organen übertragenen Steuerimpulse. In der Brennstoffleitung 20 zur Brennkammer 7 ist ein Regulierventil 25 eingebaut, das ebenfalls temperaturgesteuert ist, aber im Gegensatz zu Ventil 23 nicht auf einen bestimmten Temperatursollwert einreguliert, sondern auf eine bestimmte Temperaturdifferenz gegenüber einem veränderlichen Temperaturniveau, welches der momentanen Temperatur vor der Nutzleistungsturbine entspricht und vom Temperaturfühler 21 auf das Ventil 25 übertragen wird. Die einzuregelnde Temperaturdifferenz wird zweckmäßig o° betragen, es kann aber auch ein anderer Wert gewählt werden, wenn es die Umstände bedingen.In the embodiment of FIG. 7, the fuel supply to the Combustion chamber 5, which is connected directly upstream of the power turbine, both through the Power controller 12 as well as via the regulating valve 21 by the temperature the power turbine affected. In this example the regulating valve ig no longer directly through the capacity controller i2, but secondarily through a pressure transducer 29 controlled. This arrangement can be advantageous if, for. B. the two regulating organs 13 and ig require significantly different characteristics or if one z. B. influence the regulating valve ig independently and without affecting the controller 13 want. Between the temperature sensor influenced before the temperature before the power turbine ai and the regulating valve 23, a device 28 should also be provided for time delay of the control pulses transmitted between the two organs. A regulating valve 25 is installed in the fuel line 20 to the combustion chamber 7, which is also temperature-controlled, but in contrast to valve 23 does not open adjusted to a certain temperature setpoint, but to a certain temperature difference compared to a variable temperature level, which is the current temperature corresponds in front of the power turbine and from the temperature sensor 21 to the valve 25 is transmitted. The temperature difference to be regulated is expediently o °, however, a different value can also be selected if the circumstances so require.

Mit der Anordnung nach Fig.7 erhält man bei Leistungsänderung vor beiden Turbinen eine momentane Abweichung der Temperatur von ihrem Normalwert, was zu einer rascheren Regulierung und insbesondere bei Leistungsvermehrungen mithilft, den neuen Beharrungspunkt zu erreichen, ohne eine große momentane Drehzahlsenkung der Nutzleistungsturbine zu verursachen. Die gleiche Wirkung kann natürlich auch erzielt werden, indem die Anordnung umgekehrt wird, d. h. indem die Ventile ig und 23 in der Leitung 2o und der Regler 25 in der Leitung 27 angeordnet weiden, oder es könnten sowohl in die Leitungen 2o wie 27 je ein Ventil ig und ein Ventil 23 eingebaut werden. Dadurch könnte der Differenztemperaturregler 25 durch ein einfacheres Regelventil 23 ersetzt werden, bedingte aber die zusätzliche Verwendung eines Regulierventils ig.With the arrangement according to FIG. 7, when the power is changed, before both turbines a momentary deviation of the temperature from its normal value, what helps to speed up regulation and especially in the case of increased services, to reach the new inertia point without a large momentary drop in speed to cause the power turbine. The same effect can of course also can be achieved by reversing the arrangement, i. H. by the valves ig and 23 arranged in the line 2o and the controller 25 in the line 27, or a valve ig and a valve 23 could be in each of the lines 2o and 27 to be built in. This could make the differential temperature controller 25 by a simpler Control valve 23 must be replaced, but required the additional use of a control valve ig.

Mit den Regelungen entsprechend den Ausführungsbeispielen nach Fig. 5 bis 7 werden kleine Leistungsänderungen, wie sie sich z. B. durch die Frequenzschwankungen eines Drehstromnetzes ergeben, fortwährend auf die Kompressorgruppe übertragen, so daß diese ständigen Drehzahlschwankungen unterworfen ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist eine Maßnahme vorgesehen, um diesen Nachteil zu verhindern. Eine Einrichtung 3o fängt die kleinen Schwankungen, welcher der Leistungsregler 12 dem Reguliersystem mitteilt, in der Weise auf, daß diese vom By-Paß-Regler i3 nicht oder kaum gespürt werden, und sich also auch keine Veränderung der By-Paß-Einstellung ergibt, während größere Leistungsänderungen ohne Hemmungen übertragen werden. Die kleinen Schwankungen im Reguliersystem werden aber vom Regulierventil ig ungehindert aufgenommen und bewirken über die Brennstoffzufuhr eine kleine Änderung der Temperatur vor der Nutzleistungsturbine, die genügt, um die verlangte kleine Leistungsänderung zu bewirken. Der Temperaturregler 23 vermag wegen der Verzögerungseinrichtung 28 den Schwankungen nicht nachzufolgen. Anderseits darf die Schwankung dieser Temperatur keine Wirkung ausüben auf den Temperaturregler 25, um die Schwankungen von der Kompressorgruppe fernzuhalten. Der Regler 25 soll also mit einer Einrichtung versehen sein, um eine bestimmte Unempfindlichkeitszone in der Nachregulierung des veränderlichen Temperaturniveaus zu erhalten, d. h. daß z. B. das Temperaturniveau außerhalb dieser Zone stets der vom Temperaturfühler 21 übermittelten Richttemperatur folgt, während das Niveau an der Zonengrenze beim Überschreiten dieser Grenze durch den Temperaturrichtwert festgehalten wird (Temperatur vor Nutzleistungsturbine). Es ergibt sich so eine kombinierte Temperatur-Drehzahl-Regulierung.With the regulations corresponding to the exemplary embodiments according to FIG. 5 to 7 are small changes in performance, such as. B. by the frequency fluctuations a three-phase network, continuously transmitted to the compressor group, so that this is subject to constant speed fluctuations. In the exemplary embodiment 8, a measure is provided to prevent this disadvantage. One Device 3o catches the small fluctuations, which the power regulator 12 the Regulatory system notifies, in such a way that this by-pass controller i3 not or can hardly be felt, and there is no change in the bypass setting results, while larger changes in performance are transmitted without inhibitions. the However, small fluctuations in the regulating system are unhindered by the regulating valve ig and cause a small change in temperature via the fuel supply in front of the power turbine, which is sufficient to make the required small change in output to effect. The temperature controller 23 is capable of the delay device 28 not to follow the fluctuations. On the other hand, the fluctuation of this temperature have no effect on the temperature controller 25 to counteract the fluctuations of the compressor group keep away. The controller 25 should be provided with a device to a certain insensitivity zone in the readjustment of the variable temperature level to obtain, d. H. that z. B. the temperature level outside this zone is always the The target temperature transmitted by the temperature sensor 21 follows, while the level at the zone boundary when this limit is exceeded by the temperature guide value is recorded (temperature in front of the power turbine). There is such a thing combined temperature-speed regulation.

Der By-Paß-Regler 13 kann, wie es in allen gezeichneten Beispielen gezeigt ist, vom Leistungsregler in der Weise beeinflußt werden, daß er z. B. für eine verminderte Leistungsabgabe der Anlage eine Regelkraft im Sinne der Schließbewegung des By-Paß-Ventils bewirkt, während anderseits eine Drehzahlsenkung der Kompressorgruppe über den By-Paß-Regler eine Regelkraft im Sinne der Öffnungsbewegung des By-Paß-Ventils zur Folge hat. Durch diese Maßnahme kann eine Gleichgewichts-Temperatur-Drehzahl-Funktion nach Fig.3 erreicht werden, indem jede der Kurven f,', f,', f3 . . . diese Funktion für je eine bestimmte Einstellung des Leistungsreglers darstellt, die durch die Belastungen f1, f2, f3 ... der Nutzleistungsturbine gegeben sind, wobei f1 > f 2 > f s sein soll. Wird die Temperatur vor der Nutzleistungsturbine entsprechend Fig. 5 durch einen Temperaturregler konstant gehalten, so wirkt sich die im Kommentar zu Fig. 2 erklärte Temperaturselbstregulierung nur auf die Temperaturerhöhung der Niederdruckbrennkammer aus. Die Funktion: effektive Temperatur vor Kompressorturbine-Kompressorgruppen-Drehzahl kommt daher flachei zu liegen als A in Fig. 2, z. B. ungefähr wie B in Fig. 2 gezeigt, ist aber nicht mehr stark abhängig von der Temperaturträgheit, weil der Wärmeaustauscher 4. nicht mehr im Bereich der Selbstregulierung liegt. vVird ferner die Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer, die der Kompressorturbine vorgeschaltet ist, durch den Leistungsregler (entsprechend Fig.5) oder durch einen von diesem ausgelösten Regelvorgang gesteuert, so ergeben sich mehrere solche Temperatur-Drehzahl-Funktionen (fl", f2", f3" usw.), die je für eine bestimmte Stellung des Leistungsreglers gültig sind und den Belastungen f1, f2, f3 usw. entsprechen.The by-pass controller 13 can, as shown in all drawn examples, be influenced by the power controller in such a way that it z. B. for a reduced power output of the system causes a control force in the sense of the closing movement of the by-pass valve, while on the other hand a reduction in speed of the compressor group via the by-pass controller results in a control force in the sense of the opening movement of the by-pass valve . By means of this measure, an equilibrium temperature-speed function according to FIG. 3 can be achieved in that each of the curves f, ', f,', f3. . . represents this function for a specific setting of the power controller, which are given by the loads f1, f2, f3 ... of the useful power turbine, where f1> f 2> fs . If the temperature in front of the power turbine according to FIG. 5 is kept constant by a temperature controller, the temperature self-regulation explained in the comment on FIG. 2 only has an effect on the temperature increase in the low-pressure combustion chamber. The function: effective temperature in front of the compressor turbine compressor group speed therefore comes to lie flat as A in FIG. B. shown approximately as B in Fig. 2, but is no longer strongly dependent on the temperature inertia, because the heat exchanger 4. is no longer in the range of self-regulation. If the fuel supply to the combustion chamber, which is connected upstream of the compressor turbine, is controlled by the power controller (according to FIG. 5) or by a control process triggered by this, several such temperature-speed functions result (fl ", f2", f3 "etc.), which are each valid for a certain position of the power regulator and correspond to the loads f1, f2, f3 etc.

Beträgt z. B. die von der Nutzleistungsturbine außerhalb des Kreislaufes abgegebene Belastung f1, so werden sich bei Temperaturbeharrung die Kompressordrehzahl ial und die Turbinen-Eintrittstemperatur t1 ergeben, entsprechend dem Schnittpunkt der Linien fl' und f2", d. h. die effektive Temperatur vor der Kompressorturbine wird mit der Gleichgewichtstemperatur identisch sein. Wird durch eine Störung bei gleichbleibender Einstellung des Leistungsreglers die Drehzahl der Kompressorgruppe z. B. etwas erniedrigt, so wird sich für die neue Drehzahl eine tiefere Gleichgewichtstemperatur (Linie fi) und eine höhere effektive Temperatur vor der Turbine (Linie f1") einstellen. Durch die entstehende Temperaturdifferenz wird die Gruppe von selbst wieder auf die ursprüngliche Drehzahl zurückgeführt werden. Die Gruppe ist somit stabil.Is z. B. that of the power turbine outside the circuit given load f1, the compressor speed will increase if the temperature remains constant ial and the turbine inlet temperature t1 result, corresponding to the point of intersection of lines fl 'and f2 ", i.e. the effective temperature in front of the compressor turbine will be identical to the equilibrium temperature. Is caused by a malfunction constant setting of the power regulator the speed the compressor group z. B. slightly lowered, it will be for the new speed a lower equilibrium temperature (line fi) and a higher effective temperature Set in front of the turbine (line f1 "). Due to the resulting temperature difference the group will automatically be brought back to the original speed. The group is therefore stable.

Mit der Anordnung nach Fig.5 wird eine rasch eintretende Belastungsänderung der Nutzleistungsturbine von f, auf f2 etwa folgenden Regelvorgang auslösen: Beim Wegfall der Leistung wird die Nutzleistungsturbine beschleunigt, wodurch über den Beschleunigungsregler 15 das Abblaseventil 16 und das Drosselventil 17 7 so stark betätigt werden, daß die den Turbinen zugeführte Leistung so weit reduziert wird, bis keine weitere Drehzahlsteigerung der Nutzleistungsturbine mehr erfolgt. Zum Zweck einer einfacheren Verfolgung des Regelvorganges bei der Kompressorgruppe sei vorerst angenommen, daß die Drehzahl der Gruppe zuerst-noch konstant bleibe und die Drehzahl der Nutzleistungsturbine eben so weit steige, wie es der neuen Belastung f 2 entspricht. Durch diese Drehzahlerhöhung wird einerseits eine Regelkraft ausgelöst, die das By-Paß-Ventil so weit schließt, daß die Gleichgewichtstemperatur entlang der Linie nl steigt bis zum Schnittpunkt mit der Linie f,'; anderseits wird die Brennstoffzufuhr vom Leistungsregler so weit gedrosselt, daß die Temperatur vor der Turbine entlang der Linie st, fällt bis zum Schnitt mit der Kurve f2". Die Temperaturdifferenzen zwischen der momentanen Gleichgewichtstemperatur und effektiven Temperatur vor der Turbine entspricht einer bestimmten Minderleistung der Turbine gegenüber dem Kompressor, welche die Gruppe einer tieferen Drehzahl entgegenführt. 'Während der Drehzahlsenkung wird das By-Paß-Ventil durch die von dieser Drehzahlsenkung hervorgerufenen Regelkraft zunehmend geöffnet, wodurch die Gleichgewichtstemperatur entlang der Linie f,' wieder absinkt. Anderseits folgt die wirkliche Temperatur vor der Turbine der Linie f2' und steigt also wieder mit abnehmender Drehzahl. Die Drehzahl sinkt so lange, bis sich die Linien fz und f2" wieder schneiden. Es stellt sich dann die neue Drehzahl it, und eine neue Temperatur 1, ein. In Wirklichkeit wird die Drehzahländerung der Kompressorgruppe nach dem Beginn der Leistungsabschaltung sofort eintreten, sowohl beringt durch die von den Ventilen 16 und 17 verursachten Leistungsverminderung der Turbinen als auch durch die Leistungsverminderung der Kompressorturbine durch die Betätigung des By-Paß-Ventils und die Drosselung der Brennstoffzufuhr. Anderseits wird die Drehzahl der Nutzleistungsturbine vorübergehend etwas höher steigen, als der neuen Gleichgewichts'-rehzahl entspricht. Die Gleichgewichtstemperatur wird daher etwa entlang der Linie gi und die effektive Temperatur entlang der Linie et verlaufen (Fig. 4a und 4b).With the arrangement according to FIG. 5, a rapidly occurring change in the load on the power turbine from f to f2 will trigger approximately the following control process: When the power is lost, the power turbine is accelerated, which means that the relief valve 16 and the throttle valve 17 7 are actuated so strongly via the acceleration controller 15 that the power supplied to the turbines is reduced until there is no further increase in the speed of the useful power turbine. For the purpose of simpler tracking of the control process in the compressor group, it is initially assumed that the speed of the group initially remains constant and the speed of the power turbine increases just as much as it corresponds to the new load f 2. On the one hand, this increase in speed triggers a control force which closes the by-pass valve so far that the equilibrium temperature rises along the line nl to the point of intersection with the line f, '; on the other hand, the fuel supply is throttled by the power regulator so that the temperature upstream of the turbine along the line st falls to the intersection with the curve f2 ". The temperature differences between the current equilibrium temperature and the effective temperature upstream of the turbine corresponds to a certain reduction in output compared to the turbine the compressor, which leads the group towards a lower speed. 'During the speed reduction, the bypass valve is increasingly opened by the regulating force caused by this speed decrease, whereby the equilibrium temperature drops again along the line f,' . On the other hand, the real temperature follows of the turbine of the line f2 'and thus increases again with decreasing speed. The speed decreases until the lines fz and f2 "intersect again. The new speed it and a new temperature 1 are then set. In reality, the change in speed of the compressor group will occur immediately after the start of the power cut-off, both ringed by the power reduction of the turbines caused by the valves 16 and 17 and by the power reduction of the compressor turbine due to the actuation of the bypass valve and the throttling of the fuel supply . On the other hand, the speed of the power turbine will temporarily rise a little higher than the new equilibrium speed corresponds to. The equilibrium temperature will therefore run approximately along the line gi and the effective temperature along the line et (FIGS. 4a and 4b).

Bei den gezeichneten Ausführungsbeispielen ist die Hochdruckturbine 6 stets als identisch mit der Nutzleistungsturbine dargestellt, die neben dem Drehstromgenerator 9 noch den Hochdruckkompressor antreibt. Diese Anordnung ist nicht notwendig mit dem Erfindungsgegenstand verbunden, und sie könnte auch anders gewählt werden, z. B. indem die Niederdruckturbine zugleich Nutzleistungsturbine wäre oder indem nur ein Kompressor vorgesehen wäre, der entweder von der Hochdruck- oder der Nielerdrückturbine getrieben würde, wobei die freie Turbine, die Nutzleistungsturbine, nur den Drehstromgenerator antreiben würde.In the illustrated exemplary embodiments, the high-pressure turbine 6 is always shown as being identical to the power turbine which, in addition to the three-phase generator 9, also drives the high-pressure compressor. This arrangement is not necessarily associated with the subject matter of the invention, and it could also be chosen differently, e.g. B. by the low pressure turbine would also be a power turbine or by providing only one compressor that would be driven by either the high pressure or the Nieler press turbine, the free turbine, the power turbine, would only drive the alternator.

Die Umführungsleitung zur Nutzleistungsturbine ist in allen gezeichneten Beispielen zwischen der vorgeschalteten Brennkammer und der Turbine gezweigt; die Abzweigung kann aber ebensogut vor der zugehörigen Brennkammer erfolgen, also Brennkammer und Turbine umführen.The bypass line to the power turbine is shown in all of the drawings Examples branched between the upstream combustion chamber and the turbine; the However, branching can just as well take place in front of the associated combustion chamber, that is to say combustion chamber and bypass the turbine.

Für die Übertragung des von der abzugebenden Nutzleistung ausgelösten Regulierimpulses ist in den Beispielen ein Drehzahlregler 12 und eine Öldurchflußregulierung vorgesehen, die von der mit der Nutzleistungsturbinenwelle angetriebenen Pumpe ii gespeist wird. Auch diese Anordnung ist nicht notwendig durch die Erfindung bedingt. Es kann auch jede andere Übertragungseinrichtung verwendet werden, die die Regulierimpulse von einem von der abzugebenden Nutzleistung beeinflußten Regler eindeutig auf die zu regulierenden Apparate weitergibt.For the transmission of the useful power to be delivered Regulating pulse is a speed controller 12 and an oil flow control in the examples provided by the pump driven by the power turbine shaft ii is fed. This arrangement is also not necessary due to the invention. Any other transmission device can also be used to generate the regulating pulses by a controller influenced by the useful power to be output clearly on the devices to be regulated.

In den gezeigten Beispielen ist ferner das By-Paß-Ventil 14 als starr verbunden dargestellt mit dem By-Paß-Regler 13. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, zwischen den beiden Apparaten ein. hydraulisches oder pneumatisches System einzuschalten.In the examples shown, the by-pass valve 14 is also considered to be rigid shown connected to the by-pass controller 13. But it is also easily possible between the two devices. switch on hydraulic or pneumatic system.

Das Abblaseventil 16 und das Drosselventil 17, die bei Leistungsabschaltungen die den Turbinen zugeführte Leistung vermindern sollen, sind in den Beispielen durchweg zwischen Hochdruckkompressor und Wärmeaustauscher 4 angeschlossen. Das Abblaseventil 16 führt dabei einen Teil der Druckluft direkt ins Freie unter Umgehung der Turbinen, während das Drosselventil 17 den noch durch die Turbinen strömenden Teil der geförderten Druckluft weiter abdrosselt. Die beiden Organe könnten natürlich auch an anderer Stelle des Kreislaufes eingebaut sein; jedoch scheint die gezeichnete Anordnung am vorteilhaftesten zu sein, da die Ventile von relativ kalter Luft durchflossen werden bei maximaler Wirkung der Anordnung. Die Steuerung der beiden Ventile ist nur schematisch angedeutet als Abhängigkeit von einem mit der Nutzleistungsturbine verbundenen Beschleunigungsregler.The blow-off valve 16 and the throttle valve 17, which are used in the event of power cuts which are intended to reduce the power supplied to the turbines are throughout the examples connected between high pressure compressor and heat exchanger 4. The relief valve 16 leads part of the compressed air directly into the open, bypassing the turbines, while the throttle valve 17 still flows through the turbine part of the conveyed Compressed air throttles further. The two organs could of course also be connected to others Be built into the circuit; however the lined arrangement seems to be most advantageous as the valves had relatively cold air flowing through them are at maximum effect of the arrangement. The control of the two valves is only indicated schematically as a dependency on one with the power turbine connected acceleration controller.

Als Regelkraft zum By-Paß-Regler 13, die von der Drehzahl der Kompressorgruppe abhängig ist, wird im Ausführungsbeispiel nach Fig.5 ein Öldruck verwendet, der von der Pumpe 18 erzeugt wird, die mit der Welle der Kompressorgruppe gekuppelt ist. In den Beispielen nach Fig. 6, 7 wir! für diese Regelkraft direkt ein Druck des Arbeitskreislaufes zwischen Austritt Hochdruckbrennkammer und Eintritt Hochdruckturbine verwendet. Es kann aber prinzipiell jeder Druck des Anlagekreislaufes verwendet werden, der von der Drehgahl der Kompressorturbinengruppe beeinflußt wird, z. B. der Druck zwischen den beiden Kompressoren oder auch ein Druck irgendwo zwischen Eintritt und Austritt eines Kompressors. Die Regülierüng der .Brennstoffzufuhr. .zü den Brennkammern wird- in den ,gezeichneten Beispielen vereinfacht dargestellt, indem in. der Brennstoffleitung 2o zwischen der Brennstoffpumpe und der Brennerdüse eine o?er mehrere regulierte Drosselstellen vorgesehen sind. Selbstverständlich kann auch jede andere Art der Brennstoffzufuhrregulierung Verwendung finden, z. B. unter Anwendung- eines-in-die-Brennstoffleitung eingeschalteten Niveaugefäßes, dessen Druckraum über dem Brennstoffniveau mit einem Luftdurchflußsystem in Verbin--iung steht, wobei der wirkende Druck durch ein oder mehrere gesteuerte Ventile reguliert wird.As a control force to the by-pass controller 13, the speed of the compressor group is dependent, an oil pressure is used in the exemplary embodiment according to FIG generated by the pump 18 which is coupled to the shaft of the compressor group is. In the examples according to Fig. 6, 7 we! a pressure directly for this control force of the working circuit between the outlet of the high-pressure combustion chamber and the inlet of the high-pressure turbine used. In principle, however, any pressure in the system circuit can be used which is influenced by the speed of rotation of the compressor turbine group, e.g. B. the pressure between the two compressors or a pressure somewhere in between Entry and exit of a compressor. The regulation of the fuel supply. .for the combustion chambers is shown in simplified form in the drawn examples, by in. the fuel line 2o between the fuel pump and the burner nozzle one or more regulated throttle points are provided. Of course any other type of fuel supply regulation can also be used, e.g. B. using a level vessel switched into the fuel line, its pressure space above the fuel level in connection with an air flow system stands, whereby the acting pressure is regulated by one or more controlled valves will.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.5 wird die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 7, die der Kompressorgruppe unmittelbar vorgeschaltet ist, durch das Regulierventil ig reguliert, das seinerseits durch einen Öldruck gesteuert wird, der direkt durch den Leistungsregler 12 eingestellt wird. Die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 5 wird in diesem Beispiel durch das Regulierventil 23 reguliert, das über den Fühler 21 durch die Temperatur vor der Nutzleistungsturbine 6 in der Weise gesteuert wird, daß diese Temperatur stets dem für Dauerbetrieb zulässigen Höchstwert entspricht.In the embodiment of Figure 5, the fuel supply to the combustion chamber 7, which is connected directly upstream of the compressor group, through the regulating valve ig regulated, which in turn is controlled by an oil pressure that is applied directly through the power regulator 12 is set. The fuel supply to the combustion chamber 5 is regulated in this example by the regulating valve 23, which is via the sensor 21 is controlled by the temperature in front of the power turbine 6 in such a way that that this temperature always corresponds to the maximum permissible for continuous operation.

Claims

PATENT CLAIM: i. Method for regulating gas turbine systems with at least one compressor-turbine group and at least one other in Turbine connected in series (power turbine), whereby the part-load control is carried out Speed change of at least one compressor group and partial bypassing of the Power turbine takes place, characterized in that both the fuel supply at least one of the combustion chambers of the circuit and one in the bypass line the by-pass valve built into the power turbine can be continuously controlled, wherein in particular the regulator that controls the by-pass valve, on the one hand by the Power regulator of the power turbine and on the other hand by one of the speed the control force that is dependent on the compressor group operating with a change in speed will.

2. The method according to claim i, characterized in that within the period from the beginning of a reduction in performance until the new equilibrium number is reached the compressor group also receives the power supplied to the turbines in the working fluid is decreased.

3. The method according to claim i and 2, characterized in that the additional reduction in the power supplied to the turbines by an additional partial bypassing of at least one of the turbines is achieved. q ..

Procedure according to Claim i and 2, characterized in that the additional reduction in the Turbines supplied power both by an additional partial bypass at least one of the turbines as well as at least one throttling of the flow path between compressor and turbine is achieved.

5._ The method according to claim z, characterized characterized in that the regulator, which the additional reduction of the turbines supplied power caused by the acceleration of the power turbine being affected. ._ _

6. The method according to claim i and 2, characterized in that that to achieve a reduced power output of the system of the by-pass regulator is influenced by the power controller in such a way that it is a control force in the sense the closing movement of the bypass valve and a reduction in the speed of the compressor group A regulating force in the sense of the opening movement of the bypass valve via the bypass controller causes.

7. The method according to claim i and 6, characterized in that as a control force, which depends on the> speed of the compressor group, one on the compressor shaft speed dependent oil pressure is used. B.

Method according to claim i, characterized in that that the fuel supply to at least one combustion chamber through one of the power regulator triggered control process is influenced. G.

Method according to claim i, characterized characterized in that the fuel supply to at least one of the combustion chambers, the a compressor turbine is connected directly upstream by the power regulator is directly influenced. ok

Method according to claim i, characterized in that the fuel supply to at least one of the combustion chambers through temperature regulators is controlled. ii.

Method according to claim i, characterized in that the fuel supply to at least one of the combustion chambers both through the power regulator and through a temperature controller is influenced.

12. The method according to claim i, characterized in that that the fuel supply to at least one combustion chamber both through one of the Power controller triggered control process as well as influenced by a temperature controller will.

13. The method according to claim i, ix or 12, characterized in that the Temperature controller works with a time delay and on a fixed Temperature setpoint is regulated. 1q ..

Method according to claim i, characterized in that that any additionally existing temperature controller to a setpoint of the temperature difference can be adjusted to a variable temperature level.

15. Procedure according to claim i, characterized in that the variable temperature level the instantaneous value of the instantaneous temperature reference value regulated by a controller according to claim 13 can follow at least partially.

16. The method according to claim i, characterized in that that one the temperature level within a defined dead zone does not follow the current reference value.

17. The method according to claim i, characterized characterized in that a regulator is used which, for small changes in performance the effect of the power regulator on the bypass valve by a delay. prevented and thus the change in output only through the fuel regulation he follows.